DE3741238A1 - Elektrochemische speicherzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrochemische Speicherzelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Solche elektrochemischen Speicherzellen eignen sich gut zum Aufbau von Hochtemperatur-Speicherbatterien, die als Energiequellen von Elektrofahrzeugen vorgesehen sind. Ein Beispiel hierfür sind wiederaufladbare Speicher­ zellen auf der Basis von Natrium und Schwefel, die einen Festelektrolyten aus Betaaluminiumoxid besitzen, der den Anodenraum vom Kathodenraum trennt. Ein Vorteil dieser elektrochemischen Speicherzellen besteht darin, daß beim Laden keine elektrochemischen Nebenreaktionen auftreten. Der Grund dafür ist, daß nur Natriumionen durch den Fe­ stelektrolyten gelangen können. Die Stromausbeute einer solchen Natrium/Schwefel-Speicherzelle liegt daher bei 100%. Aus der DE-OS 33 40 424 ist eine elektrochemische Speicherzelle bekannt, bei der der Festelektrolyt im Verschlußbereich mit einem Alphaaluminiumoxidring ver­ bunden ist. Die Verbindung dieses Isolierrings mit den metallischen Bauelementen, welche den Verschluß der Speicherzellen bilden, erfolgt durch Thermokompression. Hierdurch wird eine mechanisch starre Verbindung zwischen dem Festelektrolyten und dem Gehäuse bewirkt. Sämtliche auftretenden Zug- und Druckkräfte werden da­ durch über den angeglasten Isolierring auf den Fest­ elektrolyten übertragen, was sehr häufig die Ursache für einen Keramikbruch ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Speicherzelle aufzuzeigen, bei der die Abdichtung zwi­ schen dem Gehäuse und dem Festelektrolyten gegen mecha­ nische und thermische Belastungen beständig ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Durch die Verwendung von elastischen Dichtungselementen werden Zug- und Druckkräfte sowie thermische Belastungen von dem Festelektrolyten ferngehalten, wodurch seine Lebensdauer erhöht wird. Das verwendete flexible Materi­ al ist gegen die Einwirkungen von Polysulfid unempfind­ lich und behält zudem für die gesamte Lebensdauer der Speicherzelle seine Elastizität bei. Durch zusätzliche konstruktive Maßnahmen und die Verwendung von zusätzli­ chen Dichtungselementen aus Graphit kann sichergestellt werden, daß die aus dem Polyfluorelastomer hergestellten Dichtungselemente gegen die Einwirkungen von Natrium vollständig geschützt sind.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Einen Vertikalschnitt durch eine Speicherzelle mit elastischen Dichtungs- und Verbindungs­ elementen,

Fig. 2 eine Variante, der in Fig. 1 dargestellten Speicherzelle,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Speicherzelle nach Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine elektrochemische Speicherzelle 1, die im wesentlichen durch ein becherförmiges Gehäuse 2 und einen Festelektrolyten 3 gebildet wird. Die Abmessungen des Festelektrolyten 3 sind so gewählt, daß zwischen der Innenfläche des Gehäuses 2 und der Außenfläche des Fe­ stelektroylten 3 ein zusammenhängender Zwischenraum ge­ bildet wird, der als Kathodenraum dient. Das Innere des Festelektrolyten 3 wird als Anodenraum 5 genutzt. Eine Kartusche 6, die das Natrium enthält, ist in den Feste­ lektrolyten 3 eingesetzt. Die Abmessungen der Kartusche 6 sind so gewählt, daß zwischen den Innenflächen des Festelektrolyten 3 und den Außenflächen der Kartusche 6 rundum ein schmaler Spalt 7 verbleibt, der immer mit Natrium gefüllt ist. Dieses fließt über eine Öffnung 6 A, aus der Kartusche 6 in diesen Spalt 7. Der Kathodenraum 5 ist mit einem Filz, bspw. aus Graphit gefüllt, der mit Schwefel getränkt ist. Die in dem Festelektrolyten 3 angeordnete Kartusche 6 weist einen nach außen gericht­ eten Flansch 6 F auf. Dieser ist auf dem Rand des Feste­ lektrolyten 3 abgestützt. Um eine Abdichtung des Anoden­ raums 4, insbesondere des Spaltes 7 sicherzustellen, ist auf der Unterseite des Flansches 6 F ein Graphitfilz 8 angeordnet, der mindestens so breit ist wie die Unterseite des Flansches 6 F. Um eine Selbstentladung der Speicherzelle 1 zu verhindern, ist der Rand des Feste­ lektrolyten 3 von einer Glasschicht 9 überzogen, auf der ggf. eine zusätzliche Isolierschicht 10 angeordnet ist. Durch diese beiden Maßnahmen wird eine elektrisch lei­ tende Verbindung zwischen dem Festelektrolyten 3 und dem Graphitfilz 8 unterbunden. Der Verschluß des Gehäuses 2 nach außenhin erfolgt mit Hilfe eines zylinderförmigen Verschlußelementes 11. Dieses ist mit zwei nach innen gerichteten Flanschen 11 A und 11 B versehen. Das Gehäuse der Speicherzelle 2 weist am offenen Ende ebenfalls ei­ nen nach innen gerichteten Flansch 2 F auf. Der erste Flansch 11 A des Verschlußelementes 11 ist auf den Flansch 2 F aufgesetzt. Die freien Enden der beiden Flan­ sche 2 F und 11 A sind zur Ausbildung einer V-förmigen Rinne 13, nach unten bzw. nach oben gebogen. In dieser Rinne 13 ist das Dichtungselement 14 angeordnet, das aus einem Elastomer, vorzugsweise einem Perfluorelastomer gefertigt ist. Durch die beiden Flansche 2 F und 11 A wird das Dichtungselement 14 an die Außenwand des Festelek­ trolyten 3 gepreßt, wodurch der unter dem Flansch 2 F liegende Kathodenraum 5 nach außenhin verschlossen wird. Die Abmessungen des zylinderförmigen Verschlußelementes 11 sind so bemessen, daß sein Innendurchmesser geringfü­ gig größer ist als der Außendurchmesser des Gehäuses 2. Hierdurch ist es möglich, daß die seitlichen Begren­ zungsflächen des Verschlußelementes 11 das obere Ende des Gehäuses 2 hüllenartig umgeben und mit der Außenflä­ che des Gehäuses 2 dauerhaft verbunden sind. Der zweite Flansch 11 B des Verschlußelementes 11 ist über ein zwei­ tes Dichtungselement 15 in Form eines Ringes auf die Oberfläche des Flansches 6 F der Kartusche 6 aufgesetzt. Vor der dauerhaften Verbindung des Verschlußelementes 11 mit dem Gehäuse 2 wird die Dichtung 15 zunächst in Richtung der Längsachse der Speicherzelle 1 zusammenge­ preßt, um einen optimalen Verschluß der Speicherzelle zu erreichen. Die Dichtung 15 ist ebenfalls aus einem Per­ fluorelastomer gefertigt. Durch die beiden Dichtungen 13 und 15 wird ein hermetisch abgeschlossener Innenraum 16 zwischen dem Verschlußelement 11 und dem Festelektroly­ ten 3 gebildet. Um eine Anreicherung dieses Raumes mit Natriumdämpfen zu verhindern, wird in dem Raum 16 ein Natriumabsorber 17 angeordnet. Zwischen dem Boden 2 B des Gehäuses 2 und der abgerundeten Kuppe 3 K des Festelek­ trolyten 3 ist ein Graphitfilz 18 angeordnet, der die Kuppe 3 K umschließt und als Zentriereinrichtung dient.

Die in Fig. 2 dargestellte Speicherzelle weist die gleichen Bauelemente 2, 3, 4, 5, 6 und 11 auf wie die in Fig. 1 dargestellte Speicherzelle. Der Festelektrolyt 3 ist an seinem Rand mit einem Isolierring 8 aus Alpha­ aluminiumoxid verbunden, der sehr dünnwandig ist. Die Verbindung des Isolierringes 8 mit dem Festelektrolyten erfolgt hierbei durch ein Bondverbindung, wofür direkt auf den Rand des Festelektrolyten 3 ein Ring 9 aus Alu­ minium angeordnet ist. Auf dem Isolierring 8 selbst ist ein weiterer Ring 10 aus Aluminium angeordnet. Der Flansch 6 F der Kartusche 6 ist auf diesen Ring 10 aufge­ setzt und durch Bonden mit dem Festelektrolyten 3 dauer­ haft verbunden. Das Gehäuse 2 weist am oberen Ende einen ersten nach innen gerichteten Flansch 2 F auf. Dieser ist bis fast zum Festelektrolyten hin geführt, wobei sein freies Ende geringfügig nach unten gebogen ist. Auf die­ sen Flansch 2 F ist ein nach innen und außen weisender erster Flansch des Verschlußelementes 11 aufgesetzt. Das freie Ende des nach innen weisenden Flanschteiles 11 A ist bis fast an den Festelektrolyten 3 herangeführt. Zur Ausbildung einer V-förmigen Rinne 13 zusammen mit dem Flansch 2 F ist sein Ende geringfügig nach oben gebogen. In der V-förmigen Rinne 13 ist ein Dichtungselement 14 angeordnet, das aus einem Elastomer, vorzugsweise einem Perfluorelastomer hergestellt ist. Die als Ring ausge­ bildete Dichtung 14 wird durch die beiden Flansche 2 F und 11 A zusätzlich gegen die Außenwand des Festelektro­ lyten 3 gepreßt. Hierdurch wird eine vollständige Ab­ dichtung des Kathodenraums 5 nach außenhin sicherge­ stellt. Das Gehäuse 2 ist mit einem zweiten nach innen weisenden Flansch 2 R versehen, der einige Millimeter über dem ersten Flansch 2 F angeordnet ist. Der Abstand zwischen beiden ist so gewählt, daß der Flansch 11 A des Verschlußelementes 11 zwischen beide eingefügt werden kann, und der Flansch 2 R zusätzlich auf dem Flansch 11 A aufsitzt. Der zweite nach innen gerichtete Flansch 11 B des Verschlußelementes 11 ist über ein Dichtungselement 15 auf den Flansch 6 F der Kartusche 6 aufgesetzt.

Das Dichtungselement 15 ist als Ring ausgebildet, und aus einem Perfluorelastomer gefertigt. Bei der Herstel­ lung der Speicherzelle 1 wird die Dichtung 15 zur Erzie­ lung einer vollständigen Abdichtung der Speicherzelle 1 nach außen in axialer Richtung der Speicherzelle 1 ge­ preßt. Um für den Festelektrolyten 3 trotz der Verwen­ dung von elastischen Dichtungselementen im Verschluß­ bereich die erforderliche Abstützung und Zentrierung sicherzustellen, ist zwischen der runden Kuppe 3 K des Festelektrolyten 3 und dem Boden des Gehäuses 2 eine als Zylinder ausgebildete Zentriereinrichtung 20 angeordnet, die mit dem Boden der Speicherzelle fest verbunden ist. In ihr ist ein als Ring ausgebildetes Abstützelement 21 aus einem elastischen Material angeordnet. Auf ihm ist die runde Kuppe 3 K des Festelektrolyten abgestützt. In dem Ringraum 16, der durch die beiden nach innen weisen­ den Flansche 11 A und 11 B des Verschlußelementes 11 ge­ bildet wird, ist wiederum ein Natriumabsorber 17 angeord­ net, um die Dichtungen 14 und 15 vor den Einflüssen des möglicherweise aus dem Anodenraum 4 austretenden Na­ triumdampfes zu schützen.

Fig. 3 zeigt eine weitere Speicherzelle 1, die ebenso wie die Speicherzellen 1 nach den Fig. 2 und 3 die Bauelemente 2, 3, 4, 5 und 6 aufweist. Der Flansch 6 F der Kartusche 6 ist über ein Dichtungselement 14 auf dem nach oben weisenden Rand des Festelektrolyten 3 abge­ stützt. Das Dichtungselement 14 ist so breit ausgebildet wie die Unterseite des Flansches 6 F. Es weist Ausneh­ mungen 14 A auf, in die der obere Randbereich des Fest­ elektrolyten 3 eingesetzt ist. Zwischen dem oberen Rand des Festelektrolyten 3 und der Kartusche 6 ist ein wei­ teres Dichtungselement 22 angeordnet, das aus Graphit gefertigt und ringförmig ausgebildet ist. Der obere Teilbereich dieses Dichtungselementes 22 ist ebenfalls in die Ausnehmung 14 A des Dichtungselementes 14 einge­ setzt. Das Dichtungselement 22 hat die Aufgabe den An­ odenraum 4 vollständig nach außenhin abzudichten, so daß keinerlei Kontakt zwischen dem Natrium und dem Dich­ tungselement 14 entsteht, das aus einem Elastomer gefer­ tigt ist. Das Gehäuse 2 besitzt einen nach innen weisen­ den Flansch 2 F, der über ein Dichtungselement 15 auf dem Flansch 6 F der Kartusche 6 abgestützt ist. Das Dich­ tungselement 15 ist ringförmig ausgebildet und weist eine ringförmige Ausnehmung 15 A auf, in welche der Rand­ bereich des Flansches 6 und der seitliche Bereich der Dichtung 14 eingesetzt ist. Zwischen dem Boden des Ge­ häuses 2 und der runden Kuppe 3 K des Festelektrolyten 3 ist wiederum eine Zentriereinrichtung 20 sowie eine Ab­ stützvorrichtung 21 vorgesehen, wodurch sichergestellt wird, daß der Festelektrolyt 3 trotz Verwendung von ela­ stischen Dichtungselementen in der erforderlichen Posi­ tion gehalten wird.

Claims (9)

1. Elektrochemische Speicherzelle (1) auf der Basis von Natrium und Schwefel mit einem Anodenraum (4) und einem Kathodenraum (5), die durch einen eine Kartusche (6) für das Natrium enthaltenden Festelektrolyten (3) voneinander getrennt und von einem metallischen Gehäuse (2) nach außenhin begrenzt sind, das durch ein Ver­ schlußelement (11) nach außenhin verschlossen ist, da­ durch gekennzeichnet, daß mindestens im Bereich des Ver­ schlußelementes (11) Dichtungselemente (14, 15, 22) aus einem flexiblen Werkstoff angeordnet sind.

2. Speicherzelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dichtungselemente (14, 15, 22) aus einem Elastomer, insbesondere einem Perfluorelastomer gefertigt sind.

3. Elektrochemische Speicherzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kartusche (6) am oberen Ende einen nach außen gerichteten Flansch (6 F) aufweist, der über den oberen Rand des Festelektrolyten (3) nach außen übersteht.

4. Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) an seinem offenen Ende einen nach innen weisenden Flansch (2 F) und das als Zylinder ausgebildete Verschlußelement (11) zwei nach innen gerichtete Flansche (11 A, 11 B) aufweisen, daß der erste Flansch (11 A) des Verschlußelementes (11) auf den Flansch (2 F) des Gehäuses (2) aufgesetzt ist, daß die beiden Flansche (2 F und 11 A) bis zum Festelektroly­ ten (3) geführt und ihre freien Enden zur Ausbildung einer V-förmigen Rinne (13) nach oben bzw. unten gebogen sind, und daß in dieser Rinne (13) ein als Ring ausge­ bildetes Dichtungselement (14) angeordnet ist, daß aus einem Elastomer gefertigt ist.

5. Elektrochemische Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Rand des Festelektrolyten (3) eine Glasschicht (9) ange­ ordnet ist, über der eine Isolierschicht (10) und eine Graphitdichtung (8) angeordnet sind, daß auf die Gra­ phitdichtung (8) der Flansch (6 F) der Kartusche (6) auf­ gesetzt ist, daß die Graphitdichtung (8) mindestens so breit wie die Unterseite des Flansches (6) ausgebildet ist, daß auf dem nach oben weisenden Rand des Flansches (6) ein elastisches Dichtelement (15) angeordnet ist, das aus einem Elastomer gefertigt ist, daß der zweite nach innen weisende Flansch (11 B) des Verschlußelementes (11) auf diesem Dichtungselement (15) abgestützt ist, und daß der Innendurchmesser des zylinderförmigen Ver­ schlußelementes (11) geringfügig größer als der Außend­ urchmesser des Gehäuses (2) ausgebildet und der obere Randbereich des Gehäuses hiervon hüllenartig umgeben ist.

6. Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der nach außen weisende Flansch (6 F) der Kartusche (6) mit dem nach oben weisen­ den Rand des Festelektrolyten (3) über einen Isolierring (8) aus Alphaaluminiumoxid verbunden ist, daß auf einen ersten nach innen weisenden Flansch (2 F) des Gehäuses (2) ein erster nach innen und außen gerichteter Flansch (11 A) des Verschlußelementes (11) aufgesetzt ist, daß die beiden Flansche (2 F und 11 A) zur Ausbildung einer V-förmigen Rinne (13) an ihren freien Enden nach oben bzw. unten gebogen sind, daß in der V-förmigen Rinne (13) ein ringförmiges Dichtungselement (14) aus einem Elastomer angeordnet durch die beiden Flansche (2 F und 11 A) gegen die Außenwand des Festelektrolyten (3) ge­ preßt ist, und daß auf die Oberseite des nach außen ge­ richteten Teiles des Flansches (11 A) ein zweiter nach innen gerichteter Flansch (2 R) des Gehäuses (2) auf­ gesetzt ist.

7. Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Flansche (11 A und 11 B) des Verschlußelementes (11) begrenzte Ringraum (16) einen Natriumabsorber (17) entfällt.

8. Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (6 F) der Kartusche (6) über ein Dichtungselement (14), das aus einem Elastomer gefertigt und als Ring ausgebildet ist, auf den nach oben weisenden Rand des Festelektrolyten (3) aufgesetzt ist, und daß der Ringspalt (7) zwischen der Kartusche (6) und dem Festelektrolyten (3) durch ein Dichtungselement (22) verschlossen ist, das aus Graphit hergestellt und als Ring ausgebildet ist, daß das Dichtungselement (14) stufenförmige Ausnehmungen (14 A) zur Aufnahme des oberen Randes des Festelektrolyten (3) und eines Teilbereiches des Dichtungselementes (22) auf­ weist, und daß der nach innen weisende Flansch (2 F) des Gehäuses (2) über ein ringförmiges Dichtungselement (15), das aus einem Elastomer gefertigt ist, auf den Rand des Flansches (6 F) der Kartusche (6) aufgesetzt ist.

9. Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Boden des Ge­ häuses (2) und der runden Kuppe (3 K) des Festelektro­ lyten (3) wenigstens eine Zentriereinrichtung (20) und/ oder eine Abstützvorrichtung (21) vorgesehen sind, zwi­ schen denen die runde Kuppe (3 K) des Festelektrolyten (3) eingebettet ist.